Laserbasierte Werkzeugbearbeitung

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1 Laserbasierte Werkzeugbearbeitung Fertigungstechnisches Kolloquium 22. November 2012, ETH Zürich Konrad Wegener 1

2 Inhalt Laserbearbeitete PKD Wendeschneidplatten in der CFK - Bearbeitung Laserkonditionieren hybrid gebundener CBN Schleifscheiben Laserbasiertes Abrichten von diamantbelegten Abrichträdern Erkenntnisse 2

3 EWAG LaserLine: Kinematik & Technologie Pulsbreite Wellenlänge Mittl. Leistung t P = 10 ps λ = 1030 nm P avg max = 50 W 3

4 Bearbeitungsreihenfolge WSP Bearbeitung 1. Grobkontur herstellen a. Bearbeitungsgeschwindigkeit b. Bearbeitung annähernd auf Endkontur c. Schneidkantenradius r K < 15 µm d. Oberflächenrauhheit noch nicht kritisch 1 2. Endkontur herstellen / Zielgrössen 1. Schneidkantenradius r K < 8 µm 2. Rauhheit Freifläche Ra < 0.6 µm 2 3. Optional Spanbrechergeometrie 1. Nur 3D Scanbearbeitung 2. Zielgrösse Rauhheit Ra < 0.4 µm 3 4

5 Typische Bearbeitungsergebnisse Beispiel Wendeschneidplatte 1. Grundkörper Hartmetall 2. Schneidstoff PKD 3. Freiwinkel α = 7 4. Spanwinkel γ = 0 Resultate 1. Schneidkantenradius r K = 5 µm 2. Rauhheit Freifläche Ra = 0.37 µm R 0.4 mm Bearbeitungszeit 3D Bearbeitung Aussenkontour Grobkontur t < 10 min Endkontur t < 5 min 5

6 Schneidkantenverschleiss bei CFK Bearbeitung Verschleiss abh. von Winkel zwischen Vorschubrichtung und Faserrichtung (FA) Neu G, L r K = 4.3 to 6.5 µm Nach V w = 31 cm 3 /mm 150 FA r K = 8.6 µm 90 FA r K = 30.6 / 35.9 µm 30 FA r K = 36.4 / 32.0 µm Verschleiss ähnlich für (L) und (G) Riefenbildung bei FA=30, insbes. (G) v c FA=30 6

7 Prozesskräfte und Rauhheiten Vorschubkraft Analyse Steigender Verschleiss führt zu ansteigenden Prozesskräften Für FA = 30 -> Vorschubkräfte für Laserbearbeitete Werkzeuge ist grösser, ansonsten sind Kräfte ähnlich Werkstück Rauheit (CFK) Ra = 0.9 bis 3.5 µm, FA = 30,90 Ra = 5 bis 11.8 FA = 150 CFK - Oberflächenrauheit gelasertes WZ geschliffenes WZ 7

8 Inhalt Laserbearbeitete PKD Wendeschneidplatten in der CFK - Bearbeitung Laserkonditionieren hybrid gebundener CBN Schleifscheiben Laserbasiertes Abrichten von diamantbelegten Abrichträdern Erkenntnisse 8

9 Bearbeitung hybrid gebundener superabrasiver Schleifwerkzeuge Neuartiges Bindermaterial Kombination der Vorteile metallischer und keramischer Bindung Hohe Kornhaltekraft Lange Werkzeug-, Profilstandzeit Poröse, offene Werkzeugtopographie Abrasives und hochschnittiges System Konventionelles Abrichtverfahren SiC basierte Abrichtrolle Hoher Werkzeugverschleiss Limitierte Genauigkeit / Flexibilität Zum profilieren ungeeignet -> Neues Verfahren zum Abrichten und Profilieren benötigt Struktur einer hybriden Kornbindung (Quelle: Meister Abrasives) Bindung SEM Bild einer Hybridbindung und einer CBN Abrasivschicht Korn 9

10 Laserabrichten / Verfahrensvarianten Abrichten hybrid gebundener CBN Schleifscheiben SiC abrichten Laserabrichten Schleifscheibe Schärfen v c v F CBN (B126) Scheibe D = 150 mm b = 25 mm Schärfen Profilieren SiC- Rolle v d Benchmark für das Laserabrichten Ziel: Erzeugen der Schleifscheiben Topographie mittels Vorschub Radial Laser Tangential Vorschub Laserstrahlung 10

11 Versuchsaufbau Laserabrichten Strahlquelle Kurzpuls Faserlaser, Rofin Lasag QFS 50 P = 50 W, t P = ns e P = 1 50 Hz Schneidkopf Festbrennweite mit Gasaustrieb f = 150 mm, d foc = 50 µm Prozessgas: Druckluft (5 bar) Prinzip Laserabrichten Quelle (oben): Hosokawa et al. Laser dressing of metal bonded diamond wheel (2005) 55/1 11

12 Laserabrichten Prozessfenster Bindung Hybridgebundenes CBN (Keramik / Bronze Bindematerial) SEM Bild: Pulsenergie (e P >> 0.5 mj) Resultate Prozessparameter zum selektiven Binderabtrag ermittelt Keine signifikante CBN Kornschädigung Thermische Schädigung falls Pulsenergie e P > 0.5 mj Bei weit höheren Pulsenergien -> Umwandlung von CBN in HBN SEM Bild: Unbearbeitet SEM Bild: Nach Laser Bearbeitung SEM Bild: Einzelpulse (e P > 0.5 mj) 12

13 SiC- und Schleifversuche Abrichtprozess SiC: 31C-100-L V Konventionelle Abrichteinheit Schleifprozess Flach- / Gleichlaufschleifen Material: 100Cr6 (Härte 60 HRC) Werkstück Schleifscheibe Abrichtrad Dynamometer Abrichtparameter Geschwindigkeitsverhältnis 4 [-] Zustelltiefe 10 [µm] Vorschub [mm/min] Schleifparameter Schleifgeschwindigkeit 50 [m/s] Zustelltiefe [µm] Vorschub 1-6 [m/min] 13

14 Schleifergebnisse Tangential- und Normalkraftanteile (F t, F n ) signifikant tiefer bei Bearbeitung mit gelasertem Werkzeug Gleichbleibender Abstand zu konventioneller Kraftkurve selbst bei hohen Materialabtragsraten Leicht höherer Verschleiss durch grösseren Kornüberstand 14

15 Laserabrichten / Verfahrensvarianten Abrichten hybrid gebundener CBN Schleifscheiben SiC abrichten Laserabrichten Schleifscheibe Schärfen v c v F CBN (B126) Scheibe D = 150 mm b = 25 mm Schärfen Profilieren SiC- Rolle v d Benchmark für das Laserabrichten Ziel: Erzeugen der Schleifscheiben Topographie mittels Vorschub Radial Laser Tangential Vorschub Laserstrahlung 15

16 Profilieren verschiedener Formelemente Definierte Schneidkantengeometrie bei grossen Körnern möglich Radius < 20 µm Radius 1 mm Werkzeug Werkstück Geometrie Standzeitversuch Werkzeug 16

17 Laserprofilieren und Schleifversuche Standzeitversuch Monitoring auftretender Kräfte Standzeitversuche Resultate Schleifbedingungen stabil nach einlaufen mit erhöhten Prozesskräften Kompakte Oberfläche durch tangentiales Laserprofilieren Beim einlaufen erfolgt Selbstschärfung und teilweise Auftreten von Kornausbrüchen Kornbeschädigung durch Lasereinfluss vernachlässigbar SEM Bild: Nach Laserprofilieren SEM Bild: Nach Bearbeitung von V w = mm 3 /mm 17

18 Inhalt Laserbearbeitete PKD Wendeschneidplatten in der CFK - Bearbeitung Laserkonditionieren hybrid gebundener CBN Schleifscheiben Laserbasiertes Abrichten von diamantbelegten Abrichträdern Erkenntnisse 18

19 Laser Touch Abrichten - Motivation Allgemein: Erzeugen einer Abrichtscheibe Scheibe zum Abrichten von Schleifscheiben Mit der Schleifscheibe -> Bearbeitung eigentliches WS Ziel: Erzeugen eines genauen Profils mit definiertem Kornüberstand Abrichtrad mech. Abrichtscheibe Konventionelle Bearbeitung = mech. Abrichten Diamantabrichtrad zum Berührungsabrichten verwendet Diamant bearbeitet Diamant -> Kosten- und Zeitintensiv Laser Touch Abrichten Tangentiale Strahlführung, präzise Profilierung möglich Strahlquelle: Trumpf Tru Micro 5050 P max = 50 W, t P = 10 ps, f P = 400 khz, e P,max = 125 µj Durch kleine Pulsdauer kalte Ablation möglich -> keine signifikante Materialschädigung der Diamantkörner (Graphitisierung, Risse, etc.) Abrichtrad Profil Laserstrahl als: Abrichtwerkzeug Profil 19

20 Diamant Graphit Resultate Raman Spektroskopie Analyse von 10 Diamantkörnern vor & nach Laserbearbeitung Graphitisierungseffekte vernachlässigbar Einfluss Einstrahlrichtung Radiale Einstrahlung: Bindermaterial mitbearbeitet -> Oberfläche wird durch wieder erstarrende Binderpartikel stark verunreinigt Tangentiale Einstrahlung: Keine Interaktion zwischen Binder und Laserstrahl -> sehr sauberes Abtragsverhalten Einstrahlrichtung: radial Einstrahlrichtung: tangential 20

21 Resultate Vergleich konventionell / gelasert Abrichtzeit auf die Hälfte reduziert Keine signifikante Graphitisierung beobachtet Entfernen ungewünschter (negativer) Flanken auf Profil Niedrigere Prozesskräfte beim Abrichten Weniger Energieeintrag in Werkstück bei Bearbeitung 21

22 Inhalt Laserbearbeitete PKD Wendeschneidplatten in der CFK - Bearbeitung Laserkonditionieren hybrid gebundener CBN Schleifscheiben Laserbasiertes Abrichten von diamantbelegten Abrichträdern Erkenntnisse 22

23 Erkenntnisse Prozesse und Verfahren Laserbasierte Bearbeitung kann Schleifbearbeitung bei ultraharten Materialien substituieren Tangentiales Laserabrichten mittels Laserpulsen im Pikosekundenbereich erzeugen deutlich besser als mechanisches Berührungsabrichten Geometrie und Formelemente Drastische Erhöhung der Flexibilität Profilierung von Geometriemerkmalen bis zu einigen Mikrometern möglich Wahlweise selektives Profilieren einzelner Bereiche auf dem Abrasivbelag möglich 23

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 24